燃气-蒸汽联合循环发电系统高级㶲经济性分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23123

燃气-蒸汽联合循环发电系统高级㶲经济性分析

吕嘉伟, 霍兆义, 刘峰, 谢宁, 王文静

辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁省鞍山市 114051

Advanced Exergoeconomics Analysis of Gas-Steam Combined Cycle Power Generation System

LÜ Jiawei, HUO Zhaoyi, LIU Feng, XIE Ning, WANG Wenjing

College of Materials and Metallurgy, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, Liaoning Province, China

收稿日期: 2023-10-07 修回日期: 2023-11-25

基金资助:

辽宁省自然科学基金项目. 2021-MS-307

Received: 2023-10-07 Revised: 2023-11-25

作者简介 About authors

吕嘉伟(1999)，男，硕士研究生，从事联合循环发电系统评价，2319374525@qq.com；

霍兆义(1982)，男，博士，副教授，从事复杂能量系统集成优化研究，本文通信作者，hzy10710010@163.com。

摘要

目的基于㶲经济发展而来的高级㶲经济分析方法，能够细化拆分系统组件的经济成本，深入探究经济成本形成的内在原因。方法在结合高级㶲分析的基础上，采用高级㶲经济分析法将燃气-蒸汽联合循环发电系统中各组件的成本拆解为内源性成本、外源性成本、可避免成本和不可避免成本，并对此进行计算。结果在设计工况下，联合循环发电系统中燃烧室的可避免㶲损最大，为28.41 MW，占燃烧室㶲损的26.55%。基于计算结果，对透平提出了不同的改进措施，降低了系统内源性和外源性㶲损。系统中㶲耗散成本占比最大的是内源性可避免部分，底循环改进优先级最高的是高压缸，其次是低压缸。联合循环发电系统中年度化成本外源性占比为80.59%，其中外源性可避免部分占比40.04%。结论研究成果可为系统提供多方面能效评价角度和优化成本的改进方向。

关键词： 发电系统 ; 燃气-蒸汽联合循环 ; 高级㶲经济性分析 ; 经济成本 ; 高级㶲分析

Abstract

Objectives The advanced exergoeconomics analysis method based on exergetic analysis development can refine the economic costs of splitting system components and deeply explore the underlying reasons for the formation of economic costs. Methods Combining advanced exergetic analysis, advanced exergoeconomics analysis method is used to split the costs of the components in the gas-steam combined cycle power generation system into endogenous, exogenous, avoidable and unavoidable costs, and calculate them. Results Under the design conditions, the avoidable loss in the combustion chamber in the combined cycle power system is the largest, which is 28.41 MW, accounting for 26.55% of the combustion chamber loss. Based on the results of the analysis, different improvement measures are proposed for the turbine to reduce the endogenous and exogenous losses of the system. The largest share of the annualized cost of the system is the endogenous avoidable portion, and the bottom-cycle improvement is prioritized highest for the high-pressure cylinder, followed by the low-pressure cylinder. The exogenous share of annualized costs in the combined cycle power system is 80.59%, of which the exogenous avoidable portion is 40.04%. Conclusions The findings of the study can provide the system with a multifaceted energy efficiency evaluation perspective and an improvement direction to optimize the cost.

Keywords： power generation system ; gas-steam combined cycle ; advanced exergoeconomics analysis ; economic cost ; advanced exergy analysis

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本文引用格式

吕嘉伟, 霍兆义, 刘峰, 谢宁, 王文静. 燃气-蒸汽联合循环发电系统高级㶲经济性分析. 发电技术[J], 2024, 45(5): 941-950 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23123

LÜ Jiawei, HUO Zhaoyi, LIU Feng, XIE Ning, WANG Wenjing. Advanced Exergoeconomics Analysis of Gas-Steam Combined Cycle Power Generation System. Power Generation Technology[J], 2024, 45(5): 941-950 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.23123

0 引言

由于全球80%以上的能源需求都要通过燃烧方式来实现，因此提高燃烧效率和降低污染物排放至关重要^[1-4]。考虑对能源、经济和环境的影响，燃气-蒸汽联合循环发电系统因其发电效率相对较高、污染物和温室气体排放量低而备受关注^[5-7]。

目前已有不少学者利用㶲分析^[8]对联合循环发电系统进行评价。赵宝玲等^[9]对150 MW联合循环发电系统进行热效率的评估，并对机组各个部位的㶲损失进行分析。孔羽等^[10]对200 MW联合循环发电系统建立㶲分析数学模型，通过改变工况参数探究燃机负荷、环境温度及供热抽汽量对系统㶲效率的影响。Ersayin等^[11]采用实际数据对某燃气-蒸汽联合循环发电系统的㶲效率和㶲损进行计算，并提出了改进建议。付忠广等^[12]采用Aspen Plus软件对西门子V94.3燃气-蒸汽联合循环发电系统进行建模，并对性能加热器的预热温度对系统性能的影响进行了模拟计算。张振东等^[13]将选择性废气再循环与联合循环发电系统进行集成，实现了CO₂的捕集和循环，并探究了集成系统㶲损的形成原因。

也有学者在基于㶲分析的基础上，考虑机组对环境因素的影响，形成㶲环境的分析方法。王光烛等^[14]以9FA级燃气-蒸汽联合循环发电系统为研究对象，建立生命周期评价和Eco-indicator99分析模型，探究电力生产过程中环境学成本的形成过程。吴捷等^[15]以燃气-蒸汽联合循环发电系统为研究对象，对天然气开采、运输及生产过程中的污染排放及影响进行分析。洪细良^[16]以燃气-蒸汽联合循环发电系统为对象，基于全生命周期评价，运用改进的㶲环境学理论对机组进行分析。Bonforte等^[17]对波兰一家联合循环发电系统应用㶲经济和㶲环境模型，预测一个周期内电厂性能。

同样有学者将㶲分析与㶲经济相结合，从效率和成本的角度对联合循环发电系统进行研究。Gu等^[18]对200 MW联合循环发电系统设备的㶲效率和成本进行分析，并进行多目标优化。Tajik Mansouri等^[19]模拟不同余热锅炉压力等级对联合循环发电系统㶲效率的影响，并进行热力学分析和经济性分析。Talebizadehsardari等^[20]在燃气-蒸汽联合循环发电系统中引入有机朗肯循环(organic Rankine cycle，ORC)系统，并采用5E分析方法进行评估。刘昕旸^[21]以燃气-蒸汽联合循环发电系统及溴化锂吸收式制冷系统为对象，建立热力学与经济学结合的分析模型，探究㶲流及现金成本之间的内在联系。李浩浩等^[22]提出了燃气-蒸汽联合循环发电系统非支配排序遗传算法优化方法，并建立了以热效率、特定投资成本和㶲损为目标的优化模型。

此外，有学者从多角度分析评价联合循环发电系统，将能量、㶲、经济性影响和环境性影响相结合。Baghernejad等^[23]探究联合循环发电系统的压气机压比、燃气轮机(gas turbine，GT)进口温度等参数对输出功、㶲效率、㶲经济性和环境参数的影响。Mohtaram等^[24]将4E分析方法应用于联合循环发电系统，采用多目标优化获得余热锅炉的最佳状态、饱和温度、最低成本和二氧化碳排放。Javadi等^[25]对500 MW联合循环发电系统进行以能源效率、二氧化碳排放和发电成本为目标的优化。Haghghi等^[26]从能源、㶲、经济和环境的角度对结合海水淡化系统的联合循环发电系统进行4E研究，并采用遗传算法进行优化。

随着研究的发展，在㶲分析的基础上，逐渐衍生出高级㶲分析，使得研究结果更加深入。王树成等^[27]利用先进㶲分析方法对燃气-蒸汽联合循环发电系统各主要组件的㶲损进行分析，并研究其产生的内在原因，为系统节能改造及新系统的设计提供参考。Petrakopoulou等^[28]针对联合循环三压发电系统采取传统㶲分析和高级㶲分析，全方位对系统的性能进行评估。Li等^[29]基于常规和先进的㶲经济方法对ORC闪蒸发电系统进行了分析和评价，并分析影响系统经济效益的主要因素。

虽然已有部分学者对燃气-蒸汽联合循环发电系统进行了㶲分析，并采用高级㶲分析方法进行了深入研究，但未对系统进行多角度评价，也未提出具体的优化措施。本文主要通过建立燃气-蒸汽联合循环发电系统的㶲分析及㶲经济分析模型，进行㶲分析评价和经济性分析评价。在此基础上，计算内源性/外源性和可避免/不可避免㶲损及经济性成本，应用高级㶲与高级㶲经济性分析对系统进行多角度评价，完善系统的评价体系，并对系统的优化改进提出方向性建议。

1 燃气-蒸汽联合循环动力装置及其工作原理

图1为本文研究的钢厂燃气-蒸汽联合循环发电系统。燃气-蒸汽联合循环主要由燃气轮机、双压再热无补燃余热锅炉、汽轮机高压缸(high-pressure steam turbine，HPST)、汽轮机低压缸(low-pressure steam turbine，LPST)、空气冷却器(turbine cooling air，TCA)、凝汽器(condenser，Con)等组件结构组成，其中燃气轮机包含轴流式空压机(air compressor，AC)及煤压机(gas compressor，GC)、燃烧室(combustion chamber，CC)、透平(turbine，TU)等组件。底循环采用双压再热无补燃余热锅炉，包括高、低2种压力的循环，其中：高压循环包括过热器(high pressure superheater，Hsup)、蒸发器(high pressure evaporator，Heva)、省煤器1(high pressure economizer 1，Heco1)和省煤器2(high pressure economizer 2，Heco2)；低压循环包括过热器(low pressure superheater，Lsup)和蒸发器(low pressure evaporator，Leva)。经过空压机压缩的空气与煤压机压缩的高炉煤气在燃烧室内混合燃烧，产生的高温烟气进入透平中膨胀做功。空压机的抽气一部分经过TCA热交换后进入透平冷却动叶，另一部分则直接进入透平冷却静叶，冷却完毕后与烟气混合进入余热锅炉，以实现余热利用。

图1

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图1 燃气-蒸汽联合循环发电系统图

①煤压机；②空压机；③燃烧室；④透平；⑤TCA；⑥高压过热器；⑦高压蒸发器；⑧低压过热器；⑨高压省煤器2；⑩低压蒸发器；⑪高压省煤器1；⑫除氧器；⑬汽轮机高压缸；⑭汽轮机低压缸；⑮凝汽器；⑯凝结泵；⑰高压泵；⑱低压泵；⑲发电机；⑳烟囱。

Fig. 1 Diagram of gas-steam combined cycle power generation system

烟气进入余热锅炉内与各换热面进行能量交换，实现能量梯级利用。冷凝水通过TCA进行预热并通过除氧器(deaerator，Dea)进行除氧，之后分别在高、低压段进行换热。高压段依次经过省煤器1、省煤器2、蒸发器和过热器，低压段依次经过蒸发器和过热器。高压过热蒸汽直接进入汽轮机高压缸做功，乏汽与低压过热蒸汽混合，进入汽轮机低压缸做功。从汽轮机低压缸排出的乏汽进入凝汽器冷凝，通过水泵加压后回到余热锅炉，至此完成循环。

2 模型建立

2.1 数学模型

㶲被定义为热力系统在只与环境发生作用而不受外界其他因素影响的前提下，可逆地变化到环境状态时所能做出的最大有用功。其表征了热力系统所具有的能量转变为机械能的能力，因此可以用来评价能量的质量。对任何一个系统而言，其㶲平衡^[30]计算式如下：

{\dot{E}}_{F, t o t} - {\dot{E}}_{P, t o t} - {\dot{E}}_{L, t o t} = {\dot{E}}_{D, t o t}

(1)

式中： ${\dot{E}}_{F, t o t}$ 指系统输入的燃料㶲，MW； ${\dot{E}}_{P, t o t}$ 指系统输出的产品㶲，MW； ${\dot{E}}_{L, t o t}$ 指系统流向环境的㶲耗散，MW； ${\dot{E}}_{D, t o t}$ 指系统工作中由于不可逆性产生的㶲损，MW。

高级㶲分析是进一步评估能源系统的有效方法，相对于传统的㶲分析具有一定优势，能够更详细地划分㶲损率。

在高级㶲分析中，组件的㶲损可以划分为可避免/不可避免㶲损和内源性/外源性㶲损^[31]2种：第1种划分依据是在未来可预见范围内，对组件改进潜力的评估；第2种划分依据是组件自身带来的不可逆的能量损失。因此，第k个组件的㶲损 ${\dot{E}}_{D, k}$ 计算如下：

{\dot{E}}_{D, k} = {\dot{E}}_{D, k}^{A V} + {\dot{E}}_{D, k}^{U N}

= {\dot{E}}_{D, k}^{E N} + {\dot{E}}_{D, k}^{E X}

(2)

式中： ${\dot{E}}_{D, k}^{A V}$ 指随着技术发展，第k个组件预期中可避免的㶲损部分，MW； ${\dot{E}}_{D, k}^{U N}$ 指第k个组件受当下技术水平制约，不可避免地产生的㶲损部分，MW； ${\dot{E}}_{D, k}^{E N}$ 指当其余组件以理想方式运行时，仅由第k个组件的不可逆性引起的㶲损部分，MW； ${\dot{E}}_{D, k}^{E X}$ 指除第k个组件外，受其余组件影响，使该组件产生㶲损的部分，MW。

在划分不可避免㶲损时，需要每个组件以最高㶲效率运行。此时引入与组件工作条件有关的假设，这些假设主要依赖于对未来改进的主观理解和预测，然后对该组件进行单独调整。通过选择最佳假设值，以获得在当前技术限制下可实现的最低㶲损。

在划分内源性和外源性㶲损时，采用工程图法进行计算。由于内源性㶲损和组件㶲效率构成函数关系，因此组件的㶲效率必须保持恒定，同时使得其他组件㶲损理想化降低。因此在式(3)中，当除第k个组件以外其他组件㶲损为0，即 ${\dot{E}}_{D, o t h e r s} = 0$ 时，可以在截距处获得 ${\dot{E}}_{D, k}^{E X}$ 的值。

{\dot{E}}_{F, t o t} - {\dot{E}}_{P, t o t} - {\dot{E}}_{L, t o t} = {\dot{E}}_{D, k}^{E N} + {\dot{E}}_{D, k}^{E X} + {\dot{E}}_{D, o t h e r s}

(3)

在可避免/不可避免㶲损和内源性/外源性㶲损划分基础上，可进一步细化出内源性可避免㶲损 ${\dot{E}}_{D, k}^{E N, A V}$ 、内源性不可避免㶲损 ${\dot{E}}_{D, k}^{E N, U N}$ 、外源性可避免㶲损 ${\dot{E}}_{D, k}^{E X, A V}$ 和外源性不可避免㶲损 ${\dot{E}}_{D, k}^{E X, U N}$ 。

㶲经济学分析方法主要包括4个步骤：1）根据燃料产品的定义，确定每个组件的输入、输出㶲流及㶲成本；2）构建系统的生产结构，创建燃料-产品表和成本方程；3）分析产品年度化成本和㶲耗散成本的形成过程，通过矩阵方程计算分析每个㶲流的成本；4）结合经济学方法评估每个组件的性能。

根据文献[32]，按照资产使用寿命将联合循环发电系统主要组件的成本等额地折合到每年内，均摊之后的成本称为年度化成本。年度化成本 ${\dot{Z}}_{k}$ (美元/h)计算如下：

{\dot{Z}}_{k} = {\dot{B}}_{k} C \frac{φ}{n m}

(4)

式中： ${\dot{B}}_{k}$ 表示第k个组件的估算成本，美元； $C$ 表示资本回收系数； $φ$ 表示维护系数； $m$ 表示年运行时间，h； $n$ 表示组件使用寿命，a。

第k个组件的㶲耗散成本 ${\dot{C}}_{D, k}^{'}$ (美元/h)为该组件燃料的单位㶲经济学成本 $c_{F, k}^{*}$ (美元/(kW·h))与㶲耗散 ${\dot{E}}_{D, k}$ (kW)的乘积。计算方法如下：

{\dot{C}}_{D, k}^{'} = c_{F, k}^{*} {\dot{E}}_{D, k}

(5)

类比高级㶲损的划分，年度化成本与组件运行条件有关，㶲耗散成本的内源和外源部分与组件相互作用有关^[33]。根据成本是否可以避免，可将㶲耗散成本分为可避免㶲耗散成本 ${\dot{C}}_{D, k}^{A V}$ (美元/h)和不可避免㶲耗散成本 ${\dot{C}}_{D, k}^{U N}$ (美元/h)两部分，计算式如下：

{\dot{C}}_{D, k}^{'} = c_{F, k}^{*} {\dot{E}}_{D, k} = {\dot{C}}_{D, k}^{A V} + {\dot{C}}_{D, k}^{U N}

(6)

年度化成本可以分成可避免年度化成本 ${\dot{Z}}_{k}^{U N}$ (美元/h)和不可避免年度化成本 ${\dot{Z}}_{k}^{A V}$ (美元/h)，计算式分别如下：

{\dot{Z}}_{k}^{U N} = {\dot{E}}_{P, k} ({\dot{Z}}_{k, A}^{U N} / {\dot{E}}_{k}^{U N})

(7)

{\dot{Z}}_{k}^{A V} = {\dot{Z}}_{k} - {\dot{Z}}_{k}^{U N}

(8)

式中 ${\dot{E}}_{k}^{U N}$ 为第k个组件在效率最低状态时的㶲； ${\dot{E}}_{P, k}$ 为第k个组件的㶲产比定量系数； ${\dot{Z}}_{k, A}^{U N}$ 为第k个组件在设计参数状态下的不可避免年度化成本。

组件的内源性/外源性㶲耗散成本计算式如下：

{\dot{C}}_{D, k}^{'} = {\dot{C}}_{D, k}^{E N} + {\dot{C}}_{D, k}^{E X}

(9)

式中： ${\dot{C}}_{D, k}^{E N}$ 为第k个组件的内源性㶲耗散成本，美元/h； ${\dot{C}}_{D, k}^{E X}$ 为第k个组件的外源性㶲耗散成本，美元/h。其计算式分别如下：

{\dot{C}}_{D, k}^{E N} = c_{F, k}^{*} {\dot{E}}_{D, k}^{E N}

(10)

{\dot{C}}_{D, k}^{E X} = c_{F, k}^{*} {\dot{E}}_{D, k}^{E X}

(11)

组件的内源性/外源性年度化成本定义如下：当除第k个组件外其他组件均处于理想状态下时，第k个组件的年度化成本为内源性年度化成本 ${\dot{Z}}_{k}^{E N}$ (美元/h)；此时， ${\dot{Z}}_{k}$ 中其余部分为外源性年度化成本 ${\dot{Z}}_{k}^{E X}$ (美元/h)。计算式如下：

{\dot{Z}}_{k}^{E X} = {\dot{Z}}_{k} - {\dot{Z}}_{k}^{E N}

(12)

将内源性/外源性、可避免/不可避免的㶲耗散成本进行细化，能够得到内源性可避免㶲耗散成本 ${\dot{C}}_{D, k}^{E N, A V}$ (美元/h)、内源性不可避免㶲耗散成本 ${\dot{C}}_{D, k}^{E N, U N}$ (美元/h)、外源性可避免㶲耗散成本 ${\dot{C}}_{D, k}^{E X, A V}$ (美元/h)、外源性不可避免㶲耗散成本 ${\dot{C}}_{D, k}^{E X, U N}$ (美元/h)。

将内源性/外源性、可避免/不可避免的年度化成本进行细化，能够得到内源性可避免年度化成本 ${\dot{Z}}_{k}^{E N, A V}$ (美元/h)、内源性不可避免年度化成本 ${\dot{Z}}_{k}^{E N, U N}$ (美元/h)、外源性可避免年度化成本 ${\dot{Z}}_{k}^{E X, A V}$ (美元/h)、外源性不可避免年度化成本 ${\dot{Z}}_{k}^{E X, U N}$ (美元/h)。

上述㶲耗散成本和年度化成本的划分中，仅表示对第k个组件的描述。对于系统整体(total，tot)而言，采用tot下标来表征系统整体的参数。

2.2 物理模型

基于MATLAB软件对燃气-蒸汽联合循环发电系统进行建模，采用热平衡法进行模拟。燃料为高炉煤气和焦炉煤气，其热值为3 569.2 kJ/kg。表1为联合循环发电系统的主要设计参数，通过计算发现，模拟值与设计值的相对误差均小于3%(通常误差要求在3%~5%)，可以认为此模型设计合理。通过软件模拟可以得到设计工况下系统各主要节点的热力参数，结果见表2。

表1 联合循环发电系统主要设计参数

Tab. 1 Main design parameters of combined cycle power generation systems

参数	设计值	模拟值
系统发电量/MW	150.00	150.79
高压蒸汽压力/MPa	5.99	5.99
高压蒸汽温度/℃	510.00	512.00
高压蒸汽质量流量/(kg/s)	45.00	48.74
低压蒸汽压力/MPa	0.93	0.93
低压蒸汽温度/℃	260.00	268.12
低压蒸汽质量流量/(kg/s)	13.00	13.20
燃气轮机排气温度/℃	520.00	525.99
燃气轮机排气质量流量/(kg/s)	450.00	453.10

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表2 系统各主要节点的热力参数

Tab. 2 Thermal parameters of main nodes in the system

序号	温度/ ℃	压力/ MPa	质量流量/ (kg·s^-1)	比焓/ (kJ·kg^-1)	熵/ [kJ/(kg·K)]
1	25.00	101.09	127.25	33.83	7.45
2	426.80	1 636.40	127.25	611.60	7.65
3	25.00	101.09	252.02	32.87	8.87
4	122.45	258.49	1.81	355.22	8.97
5	234.51	565.22	15.05	473.68	8.99
6	398.80	1 445.30	58.29	608.15	9.00
7	398.80	1 445.30	176.87	608.15	9.00
8	1 250.60	1 416.40	355.94	1 944.60	9.83
9	398.80	1 445.30	34.37	608.15	9.00
10	671.95	1 445.30	23.93	608.15	9.00
11	200.00	1 445.30	23.93	266.36	8.43
12	525.99	103.35	453.10	725.57	9.87
13	467.22	101.09	453.10	402.35	9.39
14	293.12	101.09	453.10	394.19	9.37
15	288.13	101.09	453.10	356.81	9.31
16	250.81	101.09	453.10	264.31	9.12
17	194.88	101.09	453.10	193.01	8.96
18	146.35	101.09	453.10	157.73	8.87
19	117.32	101.09	453.10	134.36	8.83
20	278.12	5 990.40	48.74	2 782.40	5.87
21	512.88	5 990.40	48.74	3 393.00	6.83
22	268.12	5 990.40	48.74	1 174.00	2.95
23	268.12	930.00	13.20	2 983.10	7.00
24	179.88	930.00	13.20	2 776.20	6.58
25	198.14	5 990.40	48.74	918.39	2.46
26	102.32	930.00	13.20	428.85	1.33
27	102.32	110.00	13.20	428.85	1.33
28	102.32	110.00	48.74	428.85	1.33
29	102.32	5 990.40	48.74	428.85	1.33
30	286.00	930.00	48.74	2 983.70	7.04
31	304.55	4.70	61.94	2 305.70	7.59
32	20.00	101.00	3 097.10	83.95	0.30
33	30.96	101.00	3 097.10	129.31	0.45
34	31.80	4.70	61.94	133.19	0.46
35	31.00	1 420.00	61.94	133.29	0.46
36	80.00	1 420.00	61.94	258.53	0.85

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3 结果分析

3.1 联合循环发电系统高级㶲分析

表3显示了燃气-蒸汽联合循环发电系统各组件高级㶲损的大小和分布。可以看出：在整个联合循环发电系统中，燃烧室的可避免㶲损最大，为28.41 MW，占燃烧室㶲损的26.55%；透平和空压机紧随其后，其可避免㶲损分别为8.86 MW和8.06 MW；余热锅炉各换热器的可避免㶲损在0.1~2.03 MW；汽轮机的高压缸和低压缸的可避免㶲损分别占自身组件可避免/不可避免㶲损的比例为57.60%和58.21%，其中低压缸中可避免㶲损为6.06 MW，为底循环各组件最大值。

表3 联合循环发电系统各组件高级㶲损

Tab. 3 Advanced exergy for all components of the system

序号	组件	${\dot{E}}_{D, k}^{E N}$ / MW	${\dot{E}}_{D, k}^{E X}$ / MW	${\dot{E}}_{D, k}^{U N}$ / MW	${\dot{E}}_{D, k}^{A V}$ / MW
1	AC	4.03	5.15	2.16	8.06
2	GC	4.21	1.17	2.02	3.58
3	CC	97.98	7.08	78.59	28.41
4	TU	15.45	6.00	13.43	8.86
5	TCA	0.59	5.53	6.52	1.52
6	Con	2.29	0.35	2.23	0.41
7	HPST	2.49	0.27	1.21	1.64
8	LPST	9.18	0.69	4.35	6.06
9	Hsup	2.57	0.26	2.01	0.82
10	Heva	3.59	2.34	3.95	2.03
11	Lsup	0.14	0.02	0.12	0.05
12	Heco2	0.22	0.14	0.11	0.16
13	Leva	1.82	0.03	1.64	0.63
14	Heco1	0.17	0.18	0.18	0.03
15	Dea	1.28	0.25	1.23	0.19

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由表3可知，联合循环发电系统内的㶲损大部分都属于内源性㶲损。在外源性㶲损中，燃烧室为7.08 MW，透平为6.00 MW，TCA为5.53 MW，空压机为5.15 MW，其余组件均小于2.27 MW。余热锅炉各组件外源性㶲损的占比在9.12%~19.56%，高压省煤器略高，为39.92%，汽轮机高低压缸为12.78%。底循环中，高压蒸发器内源性㶲损最大，为3.59 MW。

图2显示了联合循环发电系统组件内源性不可避免㶲损、内源性可避免㶲损、外源性不可避免㶲损、外源性可避免㶲损的分布情况。由图2可知：顶循环中空压机外源性可避免㶲损占比最大，空压机整体可避免部分占比接近79%，应侧重系统结构性优化；煤压机改进空间也较为明显，但倾向于自身设计结构方向优化；燃烧室可避免㶲损部分占比相较于空压机和煤压机要低，但由于燃烧室总㶲损远超其他组件，可避免㶲损部分的绝对值要远高于其他组件，在优化中应重点关注燃烧室燃烧条件设置，降低其内源性可避免㶲损。底循环中，汽轮机高、低压缸㶲损组成结构近似，但由于低压缸工质流量大，产生的㶲损远高于底循环其他组件。因此低压缸的改进优先级在底循环中应为最高，且应从结构设计参数的角度进行改进。

图2

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图2 联合循环发电系统组件高级㶲损细化

Fig. 2 Advanced loss refinement of system components

在改进内源性/外源性㶲损时，以透平为例。从结构上来说，当压气机入口空气温度升高时，空气密度变小，使得进入压气机的空气质量流量减小，压比降低，透平的输出功和㶲效率降低。因此，燃气轮机可以耦合溴化锂吸收式制冷系统或者喷雾蒸发冷却系统，对压气机入口空气进行冷处理，从而改善组件结构关系，减少透平的外源性㶲损。

此外，还可以通过设计透平叶片本身进行优化。为提高燃气轮机的联合循环效率，燃气温度必须不断提高，而燃烧室温度的升高使燃烧空气需求量增加，参与冷却的空气量减少，压缩机出口气体温度升高，此时，需要挖掘同流量下冷却空气的更高冷却潜力。因此，可以对叶片气膜冷却结构的外槽孔形状进行设计优化，这对冷却气体喷射流量系数和空间平均绝热气膜冷却效率有着重要影响。除此之外，通过对叶片上气膜孔布局进行调整，也能提高冷却效率，从而降低透平内源性㶲损。

3.2 联合循环发电系统高级㶲经济性分析

本系统主要采用的是高炉煤气和焦炉煤气，价格分别为2.8美元/GJ和16.9美元/GJ。图3为联合循环发电系统组件㶲耗散成本的细化结果。

图3

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图3 联合循环发电系统组件㶲耗散成本细化

Fig. 3 Cost refinement of exergy loss of system component exergy loss

由图3可知，燃烧室的㶲耗散成本中，内源性可避免部分占比最大，为77.21%。透平和煤压机㶲耗散成本组成结构相似，主要通过优化设计结构达到降低㶲耗散成本的目标。底循环中改进空间最大的组件是高压缸，其次是低压缸和高压省煤器2。根据这3个组件㶲耗散成本的分布特点，主要采取的改进方式是设计结构方向上的优化。

图4为联合循环发电系统㶲耗散成本高级㶲经济占比情况。由图4可知，联合循环发电系统中㶲耗散成本占比最大的是内源性可避免部分，达到了60.27%。外源性可避免㶲耗散成本和外源性不可避免㶲耗散成本占比相近，分别为11.25%和8.54%。结合图3可以分析出，主要原因在于燃烧室内源性可避免㶲耗散成本较高，影响最大。组件之间相互联系所产生的㶲耗散成本较低，更多的是来源于系统中各组件自身的影响。可避免部分占整体㶲耗散成本比例较大，因此系统组件的改进空间较大，应着重优化燃烧室、透平和汽轮机低压缸的自身组件问题。

图4

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图4 联合循环发电系统㶲耗散成本占比

Fig. 4 Percentage of exergy loss for the system

图5为联合循环发电系统各组件年度化成本的细化结果。由图5可知，在燃烧室的年度化成本中，内源性可避免占比为13.68%，外源性可避免占比为22.58%。顶循环中，根据组件年度化成本组成特点，优化空间最大的是空压机，其次是煤压机，且优化侧重点都应放在系统结构性改进中。底循环中，高压蒸发器改进优先级最高，其次是低压缸及高压缸组件。

图5

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图5 联合循环发电系统组件年度化成本细化

Fig. 5 Annualized cost breakdown of system components

图6为系统年度化成本占比情况，可知，联合循环发电系统中外源性年度化成本占比为80.59%。在整个系统中，外源性可避免的年度化成本达到了40.04%，而内源性可避免的年度化成本占比仅有7.09%，因此可以分析得出，整个联合循环发电系统的年度化成本主要的优化方向在于系统结构性的调整。可优化的范围接近联合循环发电系统全部年度化成本的1/2，具有较大的改进空间，因此可着重进行系统组件结构之间的调整。

图6

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图6 联合循环发电系统年度化成本占比

Fig. 6 Annualized cost share of the system

4 结论

对燃气-蒸汽联合循环系统搭建高级㶲和高级㶲经济模型，得到了各个组件内源性/外源性和可避免/不可避免㶲损及经济性成本，并应用高级㶲与高级㶲经济性分析对系统进行多角度评价，得到了以下结论：

1）在设计工况下，联合循环发电系统中燃烧室的内源性㶲损最大，为97.98 MW。这是由于燃烧室中能量损耗大部分源于自身化学燃烧过程和辐射换热过程，属于内源性损失。

2）系统中㶲耗散成本占比最大的是内源性可避免部分，达到了60.27%。从高级㶲耗散成本的角度分析，底循环中改进潜力最大的组件是高压缸，其次是低压缸和高压省煤器2。

3）循环中优化空间最大的是空压机，优化侧重点应是系统结构性改进。底循环中高压蒸发器改进优先级最高，其次是低压缸和高压缸。

参考文献

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被引期刊影响因子

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张金良，贾凡．

中国火电行业多模型碳达峰情景预测

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